分枝杆菌SenX3-RegX3双组分系统的调控机制：PhoU在感知无机磷酸盐水平中的作用

研究人员针对分枝杆菌中SenX3-RegX3双组分系统(TCS)的磷酸盐(Pi)感知机制展开研究，通过构建基因缺失突变体、体外激酶/磷酸酶实验等技术，发现PhoU蛋白能独立于Pst转运系统感知胞内Pi水平，并通过调节SenX3的激酶/磷酸酶活性平衡控制RegX3磷酸化状态。该研究揭示了分枝杆菌环境适应的新型调控通路，为抗结核药物靶点开发提供新思路。

　　

在微生物生存竞争中，环境无机磷酸盐(Pi)的获取能力直接决定其生存优势。分枝杆菌作为一类重要的病原微生物，其特有的厚细胞壁结构使得营养摄取面临更大挑战。尽管早前研究在模式生物大肠杆菌中揭示了PhoRB-PhoU-Pst系统组成的经典Pi感知通路，但分枝杆菌中是否存在类似机制、如何精细调控Pi代谢相关基因表达，始终是领域内悬而未决的关键科学问题。

韩国国立首尔大学的研究团队以非致病模式菌——耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)为研究对象，聚焦其SenX3-RegX3双组分系统(TCS)的调控机制。通过系统的分子遗传学和生物化学研究，团队发现PhoU同源蛋白能直接感知胞内Pi浓度变化，并通过变构效应调节SenX3组氨酸激酶的催化平衡，相关成果发表于《Journal of Biological Chemistry》。

研究主要采用基因敲除、蛋白质纯化、Phos-tag磷酸化检测等关键技术。通过构建SenX3不同结构域缺失突变体，结合亚细胞定位分析和报告基因检测，明确其PAS结构域（Per-ARNT-Sim domain）在Pi感知中的核心作用。利用体外重组蛋白系统，首次证实PhoU1能在Pi存在条件下促进SenX3的磷酸酶活性。

PAS结构域而非膜定位决定SenX3的Pi感知功能
通过构建缺失跨膜区(TM)的SenX3SD1突变体，研究发现该胞内定位的截短蛋白仍能响应Pi浓度变化调控phoA和pstS表达。而进一步删除PAS结构域的突变体则丧失Pi响应能力，证实PAS域是信号感知的核心模块。

Pst转运系统非Pi感知必需元件
ΔpstB突变体在50 μM Pi条件下仍能诱导phoA表达，且过表达低亲和力Pi转运蛋白PitA可降低ΔpstB菌株的phoA表达水平，表明胞内Pi浓度而非Pst系统直接决定信号输出。

PhoU同源蛋白的功能冗余与诱导表达
phoU1/phoU2双敲除导致Pi充足条件下phoA持续高表达。有趣的是，phoU1表达受SenX3-RegX3正调控，而phoU2则依赖替代σ因子SigF，二者在Pi缺乏时均显著上调，形成负反馈调节环路。

PhoU1直接调控SenX3催化平衡的分子证据
体外实验显示，纯化的PhoU1在500 μM Pi存在时，能抑制SenX3对RegX3的磷酸化作用，并促进磷酸化RegX3(P-RegX3)的去磷酸化。值得注意的是，PhoU1并不影响SenX3的自磷酸化速率，暗示其可能通过阻断磷酸基团转移或增强磷酸酶活性发挥作用。

基于AlphaFold结构预测，研究者提出创新性调控模型：PhoU的α6螺旋区保守RXXERXXDR/H基序可能作为Pi结合位点，Pi结合诱导的构象变化通过α5螺旋传递至SenX3结合界面，最终调节其激酶/磷酸酶活性平衡。这一发现突破了传统"膜复合体感知"理论的局限，确立了胞内Pi浓度直接调控的新范式。

该研究不仅阐明了分枝杆菌应对Pi胁迫的分子机制，其揭示的PhoU-Pi-SenX3调控轴更为抗结核药物开发提供了潜在靶点。特别值得注意的是，PhoU过表达可增强细菌对利福平的耐受性，暗示该通路可能与结核分枝杆菌的持久性形成和耐药性进化密切相关。这些发现为理解结核病病理机制和开发新型抗菌策略奠定了重要理论基础。